3.5G/HSDPA技术架构与手机开发要点

3.5G/HSDPA技术架构与手机开发要点

从语音通信到数据通信，蜂巢式手机无疑正处于技术架构改朝换代上的重大的革命时期，而进入数位时代，无线通信也和有线通信一样，不断得向上提高传输的速率：从GSM到传输率约40Kbps的GPRS，以及传输率约130Kbps EDGE，再到3G世代UMTS的384Kbps，到目前唿之欲出的3.5代HSDPA。

　　目前在手机市场上来势汹汹的一个新名词，正是号称3.5G的HSDPA。它会成为市场上关注的话题，有其时代上的意义，一是由于CDMA2000在3G市场已取得领导性的优势，让WCDMA阵营感到极大的压力；另外则是无线网路阵营推动的WiMAX声势浩大，也让WCDMA阵营急需推出新一代的技术，以巩固既有的江山。

　　先来看看目前3G市场推展的现况。根据GSA及CDG的统计，2004年中时WCDMA、CDMA2000 1X和CDMA2000 1xEV-DO的商用网路数量分别只有37、87和10个，而截至2005年6月，全球共已开通了223个3G商用网路，其中CDMA2000 1X网路123个，CDMA2000 1x EV-DO网路22个，相较之下，WCDMA网路只有78个；预计明年将有22个CDMA2000 1X EV-DO网路计画开通，WCDMA网路则有七家电信公司准备进入商用阶段，请参考(图一)。

图一　全球3G商用网路成长趋势

　　若从用户数量上来比较，两个阵营的差异就更明显了，依据中国资讯产业部电信研究所发佈的资料，截止到2005年6月底，全球共有1.919亿3G用户，其中CDMA2000 1X用户达到1.437亿，EV-DO用户也有1780万，WCDMA用户却只有3040万。

　　对于同时两项规格并行的国家来说，这种态势让采用WCDMA的电信业者感到忧心忡忡，担心好不容易上升的用户数会流失到另一个阵营。代表性的国家分别是日本、美国和中国，其中日本NTT DoCoMo从2004年开始就计画在两年内投资3.5亿美元，资助六家终端厂商（富士通、三菱电子、摩托罗拉、NEC、松下、夏普）加快HSPDA手机终端的研发，以对抗KDDI的无线高速资料服务，KDDI日前宣佈将在2006年底开通CDMA2000 1x EV-DO Rev.A网路，将上行/下行速率提升到1.8/3.1Mbps。

　　美国方面，Verizon Wireless布建的EV-DO系统已经覆盖了32个城市，在人口覆盖率上则超过30％，并计画到2005年底超过40％。美国最大的行动通信服务商 Cigular为了应对竞争，于2004年底宣布对WCDMA系统进行升级，计画2005年底率先在美国的几个主要城市的城区和校区部署HSDPA网路。中国方面，中国联通已开始大力推展cdma2000 1x EV-DO系统，这无疑将对中国移动造成竞争压力。为此，中国移动表示在3G牌照发放后，中国移动将首先在沿海发达及重要城市部署HSDPA网路。

　　两大3.5G标准比较

　　回顾两项竞争规格的发展，国际标准化组织3GPP/3GPP2在2000年分别启动这两项技术。1xEV-DO方面，3GPP2目前已完成Rev0、RevA（反向增强）的标准化工作，正在制定RevB的标准，预计2006年初会完成RevB版本的标准化。

　　3GPP则将HSDPA的演进分三个阶段，第一阶段从2000年启动，在R5版本定义了基本HSDPA，目前该阶段已完成，在导入HS-DSCH通道、 AMC和HARQ等技术后，其理想峰值速率可达14.4Mbps；第二阶段是R6版本定义的增强型HSDPA，通过采用MIMO技术将峰值速率提高至 30Mbps；第三阶段将联合采用OFDM和64QAM调制技术，使峰值速率达到50Mbps以上。请参考(表一)、(图二)、（图三）。

表一　HSDPA发展阶段及关键技术

图二　HSDPA和CDMA 1xEV-DO标准演进

图三　蜂巢技术的效能演进

　　为了保障业者的投资，两项标准都基于对既有网路做最小更动的原则来进行演进设计，也就是尽量不更动网路架构和核心网路，而且使用既有的频谱资源。在此情况下，就必须透过先进的技术来进行革新，而两项标准都运用了AMC、HARQ等技术作法，以下将做一比较说明。

　　■1xEV-DO

　　1xEV-DO（Evolution-Data Optimized）是一项已商业化的可行3G技术，能将资料传输率提高到2Mbps，所使用的频宽是1.25MHz，比起CDMA2000 1xRTT 和WCDMA这两种以语音服务中心的技术快上3～4倍。
 　　1xEV-DO虽然是CDMA2000标准的一部分，但它完全没有仰赖CDMA语音网路中的任何元件来提供服务、移动性或漫游。系统业者不需要行动交换中心（Mobile Switching Center；MSC）或如家庭和访客位置註册（home and visitor location registers；HLR/VLR）的网路元件。因此不管系统业者目前使用的是何种语音技术，只要具有1.25MHz的成对频谱（paired spectrum），就能够建置1xEV-DO。

　　在1xEV-DO 网路有三个主要单元，如(图四)所示：

●无线节点（Radio Nodes；RNs）
●无线网路控制器（Radio Network Controller；RNC）
●封包数据服务节点（Packet Data Serving Node；PDSN）

图四　 1xEV-DO网路架构

　　每个无线节点一般皆支援三个区域（sector）和服务一个蜂窝系统，而每个区域中有一个专属发射器，用来节取用户数据机和无线节点之间的空中连结。 1xEV-DO中的更高层协定会在RNC中处理，RNC也负责传递RN和PDSN之间的用户数据资料。PDSN是一台用来连结无线网路和网际网路的无线边缘路由器（EDGE Router）。这个架构和一些其他的3G无线技术不一样的地方，在于它不需要依赖行动交换中心（MSC）。

　　除了RNC和PDSN，1xEV-DO数据中心还有一台聚合路由器（aggregation router）、一台元件管理系统（element management system；EMS）和数台ISP伺服器。聚合路由器节取从RN来的IP资讯，再传送到RNC；EMS负责管理无线接取网路。至于常用的ISP伺服器包括网路名称系统（Domain Name System；DNS）、动态主机组态协定（Dynamic Host Configuration Protocol；DHCP）和认证／授权／稽查（Authentication, Authorization, and Accounting；AAA）等标准IP伺服器。

　　整体来说，1xEV技术（也称为High Data Rate；HDR）是一种高效能和符合成本效益的网际网路解决方案，这项高速的技术能与CDMA网路相容，并提供最佳化的封包数据服务。更特别的是，它以最小的网路和频谱资源来达成其效能表现，是一项高频谱效率的技术。

　　■HSDPA

　　HSDPA（High-Speed Downlink Packet Access）是基于3GPP R99/R4架构的附加方案，也就是UMTS的一种空中介面，其架构中主要包含三个元件，分别是用户设备（User Equipment；UE）、Node B和无线网路控制器（RNC），如(图五)所示。在基本型的标准下，采用耙式接收器（rake receiver）的六类（category 6）行动用户，其尖峰资料传输率可达3.6Mbps；采用先进接收器方案的十类（category 10）行动用户则可再提升到14.4Mbps。

图五　HSDPA协定架构

　　HSDPA是基于现有WCDMA网路的演进，其网路建设成本主要用于Node B（基地台）和RNC的软/硬件升级。它将关键的数据处理从RNC转移到Node B，使数据处理与空中介面更靠近，从而实现更高的系统传输量并改善服务品质。不仅如此，HSDPA还能扩大系统容量，与现有的WCDMA技术相比，HSDPA能在同一个无线载频上为更多的高速率用户提供服务。

　　基本上HSDPA是WCDMA下行链结的封包式数据服务，其数据传送速率在5MHz的频宽下可达8～10Mbps（采用MIMO系统可达20Mbps）。它加入一项新的高速下行共用通道（High Speed Downlink Shared Channel；HS-DSCH），这个通道采用分割代码的方式，将主通道分成了15个子通道，而且配合缩短的TTI（transmission time interval）作法，在2ms的时间内对不同用户进行通道时间分配。这样一来，多个用户就能同时分享频宽，进而提升了频谱的利用率。

此外，它也在实体层（PHY）导入更短的TTI（2ms）、采用自适性调制和编码和HARQ的快速重传等技术，让高速传送能够实现。其技术特色如下：

　　自适应性调制和编码（Adaptive Modulation and Coding；AMC）
为了提供每个用户最佳的资料速率，在HSDPA中采用了自适应的调制和通道编码方案，以满足目前的通道条件。

　　快速调度（fast scheduling）

　　在WCDMA中，分组调度由RNC负责。在HSDPA中，分组调度转到了Node B本身，因此能够大幅减小因条件改变带来的延迟。为了得到调度资料分组传输的最大效率，HSDPA使用了通道质量资讯、移动终端能力、QoS和可用的功率/代码。
　　快速重传（fast retransmission）

　　发生链路错误时就需要进行资料重传，目前的WCDMA系统在RNC重新响应前必须等待100ms或更长的时间量级。将此功能引入到Node B中，该延迟将减小一个量级，达到10ms左右。此作法使用了混合ARQ（HARQ）技术，在该技术中，先前传输的资料与重传资料以一种特殊方式结合，可以改进解码效率和分散度增益。

表二　 1xEV/DO和HSDPA技术特性比较

　　综合比较

　　如前所述，两项标准不论是技术目的或手段都相似或相同。两者皆诉求要满足非对称数据业务的需求，也就是提供高速的下行传输速度，让业者能推展视频娱乐等行动加值服务。然而，为了降低网路升级的代价与冲击，除了考虑与现有版本的相容性外，更要求能以最小幅度的软硬件调整，就能达到频谱利用率的提升。

　　目前看起来，1xEV-DO的商业化脚步较快，这和CDMA一系列标准的相容性高有很大的关系，不像从GSM/GPRS升级到WCDMA需要大幅更动网路基础架构。不过，发展脚步慢也意味着有较多的经验足供参考，因此HSDPA的技术版本具有较高的数据传输率，也能完全使用剩余的语音频宽，此外，HSDPA比能同时支援语音和数据服务。

　　不过，这两项标准的演进之路才刚起步，可以预见未来的发展方向仍不会有太大的出入。在实体层上，仍会继续提升频谱的利用率；在高层的协定方面，QoS是必备的技术，因为要让多种服务或应用能同时进行；至于在收发与调制的技术上，各个无线技术都无例外的朝向采用MIMO、OFDM和智能天线等策略发展中。

　　HSDPA手机开发技术挑战

　　虽然说HSDPA强调网路架构不需大幅的更动，即可提供更高速的服务，也就是只要采用既有的WCDMA/3G手机就能享有更高的下载速率，不过，要想达到最佳的接收速率，移动终端的制造商仍得面临极大的开发挑战。

　　在现阶段HSDPA手机的发射端基本上还不需改变，首先面临冲击的是接收技术的提升。所有的蜂窝通信系统均面临着两个基本问题：多址干扰和多径干扰，而近年来看到的空中介面技术革命，如FDMA、TDMA、CDMA等，都可归功于多址技术的进步。至于在多径干扰上的克服，则已出现智能天线、耙式接收器（rake receiver）和OFDM等技术，目前针对HSDPA推出的先期接收方案，大都采用耙式接收器，虽然具有提升效果，但仍不能达到第一代的 14.4Mbps峰值下载速率。

　　因此，下一步是从天线与接收器的设计架构下手。其中的一种作法是采用分集式接收技术（Diversity Reception），也就是增加第二个天线和接收器，透过两个独立的信号接收路径来接收信号，并透过复杂的调变与编码技术将两者结合，以获取更佳的信号结果。不过，此一作法的设计难度高，额外的电路也可能增加设备的尺寸，而为了获得最佳的差异效益，两天线需分离愈远愈好，这也会造成设计工程上的挑战。

　　另外一个类似的策略，则是采用当红的MIMO技术，这也是3GPP在第二阶段HSDPA中的应用技术。MIMO颠覆多径干扰的基本理论，反而提出空间多工（Spatial Multiplexing）的理论，强调透过多径反射来改善传输效率。目前在WLAN的新产品（Pre N）中已实际导入MIMO技术而能突破100Mbps的传输率，未来在蜂巢式的系统也将看得见。

　　随着接收效率的提升，手机系统也面临整体性的设计问题。当资料传输量大幅提升时，手机的处理效率也得提升，这又可分为通信段的基频处理能力与应用段的多媒体处理能力。目前这两段朝向技术独立的方向发展，以满足各自在技术延革与市场需求上的不同需求，晶片业者也强调以开放性的架构来提供制造商多样化的弹性选择。很显然地，要能让HSDPA手机达到预期的效能，其软硬件的设计挑战将会大幅提升，除了需要采用更强的处理器或加速器来强化处理能力外，接收到的大量数据也需要更大的记忆体容量来储存。

　　不仅如此，系统内的各元件也需要以更高速、智能性的匯流排来做串连，并采用各种节能的策略来延长电池的寿命。这些策略包括避免使用高时脉的处理器、采用较低的电压、改进演算效率，以及针对整体系统提出最佳化的电源管理策略，例如智能性的让非活动中的元件或模组进入休眠等省电模式。